智能炉温控制系统控制算法研究毕业设计论文word格式管理资料.docx
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智能炉温控制系统控制算法研究毕业设计论文word格式管理资料
毕业设计论文
题目智能炉温控制系统控制算法研究
（院）系电气与信息工程系
专业自动化班级0003学号0001110308
学生姓名贺定雄
导师姓名王迎旭老师
完成日期2004年6月20日
湖南工程学院
毕业设计（论文）任务书
设计（论文）题目：
智能炉温控制系统控制算法研究
姓名贺定雄系别电气与信息工程系专业自动化专业班级03学号08
指导老师王迎旭教研室主任唐勇奇、赵葵银
一、基本任务及要求：
本课题时对实验室原有设备进行改造，要求设计新颖的监控管理程序，开发出新的实验、训练项目。
主要设计内容为：
1、了解原有系统的硬件结构，分析工作原理；2、对系统改造作出总体方案设计；3、对系统的改造部分进行硬件设计；4、控制算法研究与MATLAB仿真5、控制算法程序设计及调试。
进度安排及完成时间：
1、第一周至第二周：
明确课题任务及要求，搜集课题所需资料，掌握资料查阅方法，了解原有系统的硬件结构，分析工作原理；
2、第三周至第四周：
查阅相关资料，自学相关内容，了解模糊（预测）控制理论以及温度控制系统的设计方法，确定课题总体方案，分配课题任务，确定个人研究重点，做好选题报告。
3、第五周至第八周：
控制算法的研究；
4、第九周至第十五周：
，控制算法程序设计及系统调试；写设计说明书；
5、第十六周至第十七周：
整理资料，准备答辩。
前言
温度是生产过程科学实验中普遍有十分重要的参数，它是一个一阶纯滞后惯性系统，它具有明显的滞后特性，温度控制电路广泛应用干社会生活的各个领域，如家电、汽车、材料、电力电子等，对于需要快速准确的获取和控制事实温度的场合，采用一般的控制方法很难获得满意的控制效果，因此，在温度控制系统中控制算法的研究是非常重要的。
本课题来源于实验室的建设，可用于学生的综合实验、课程设计、毕业设计以及工程实践能力培养训练等实践性环节教学中，其学习和训练项目可选择多种，在学习有关计算机技术及计算机控制系统的基础上，通过参加系统的一部分硬件、软件设计，以及系统的调试工作，培养学生综合运用计算机技术组成系统的调试设计能力，并给学生提供了运用所学控制理论知识，解决控制系统调试中出现的实际问题的机会。
本系统以MCS－51单片机为核心构成一个智能炉温控制系统，具有对热电偶的定时检测、实时控制和调节，参数显示和打印，存储必要的信息等功能，其输入和监控管理均由键盘来控制，这种系统控制具有控制精度高、重复性好、自动化程度高，使用简单、方便，提高了产品质量和减轻了工人的劳动负担的优点。
目前人们广泛使用的控制系统主要是基于常规的PID控制器，运用传统的PID控制算法，虽然常规的PID控制器具有结构简单、易于实现等优点，但是传统的PID调节器的参数不易实时在线调整，因而不适合一些复杂过程中的应用。
本论文将根据课题要求，对常用的控制方案进行分析比较，并对相关的控制算法进行研究，提出合适的改造方案。
摘要Ⅰ
AbstractⅡ
第1章绪论1
课题研究的目的与意义1
2
课题内容与设计要求及任务3
第2章硬件概述4
4
4
5
A/D转换模块6
输出控制模块7
通用并行接口模块8
与上位机通信模块8
打印机接口模块10
键盘/LED输出显示接口模块12
13
第3章控制算法的比较及实现.16
16
3.经典PID模拟控制原理16
18
21
智能控制的原理21
智能控制的对象21
控制算法22
Fuzzy-PID控制器的设计23
量化因子的自调整24
24
第4章控制算法的实现与应用26
控制算法的实现26
控制算法流程图26
控制算法的应用27
结束语28
参考文献28
致谢30
附录A扩展芯片地址表31
附录B系统程序清单31
智能炉温控制系统
摘要：
该智能炉温控制系统是在原有实验室智能炉温控制系统的基础上进行硬件、软件等方面的分析，提出合适的算法。
温度是生产过程科学实验中普遍有十分重要的参数，它是一个一阶纯滞后惯性系统，它具有明显的滞后特性。
温度控制电路广泛应用于社会生活的各个领域，如家电、汽车、材料、电力电子等，对于需要快速准确的获取和控制事实温度的场合，采用一般的控制方法很难获得满意的控制效果，因此，在温度控制系统中控制算法的研究是非常重要的。
而温控系统本身为一个大滞后系统，对象参数变化大，要建立精确朗数学模型较为困难。
经过对该系统的具体分析、仿真，在该系统中采用的是Fuzzy--PID控制算法，该算法比单一的模糊控制或调节器控制有更好的控制性能，该算法并能自动优化量化因子和积分数，在该系统中获得了良好的控制效果。
关键词：
纯滞后；仿真；模糊控制；量化因子；PID
Theintellectualfurnacetemperature
Controlsystemcontrolscalculatewayresearch
ABSTRACT：
Thisintellectualfurnacetemperaturecontrolsystemcarriesonthetransformationofhardware,software,etc.onthebasisoforiginalDPJ-intellectualfurnacetemperaturecontrolsystem.Temperatureisthatgenerallythereisaveryimportantparameterinthescientificexperimentoftheproductionprocess,itonestepspuretolagbehindtheinertiasystem,ithasanobviouslaggingcharacteristic,thetemperaturecontrolcircuitusesanddoeseachfieldofsociallifeextensively.Forinstanceelectricalhomeappliances,automobile,material,electricelectron,etc.,totheoccasionofobtainingandcontrollingfacttemperatureneedingtobefastaccurate,Adoptgeneralcontrolmethodverymuchdifficulttowinthesatisfiedcontrolresult,so,itisveryimportanttocontroltheresearchofthealgorithminthecontrolsystemoftemperature.Throughtheconcreteanalysis,emulationtothissystem,thatadoptisFuzzyinthissystem--PIDcontrolsalgorithms,Thisalgorithmiscontrolledfuzzilymorethanthesingleoneortheregulatorcontrolsbettercontrolperformance,algorithmthiscanoptimizeunitizationfactorandtotalmarkcoefficientautomatically,obtaingoodcontrolresultamongsystemthis.
Keywords:
Lagbehindpurely；Emulation；Controlfuzzily；
Unitizationfactor；PID
第1章绪论
：
温度是生产过程科学实验中普遍有十分重要的作用，它是一个一阶纯滞后惯性系统，它具有明显的滞后特性。
温度控制电路广泛应用干社会生活的各个领域，如家电、汽车、材料、电力电子等，对于需要快速准确的获取和控制事实温度的场合，采用一般的控制方法很难获得满意的控制效果，因此，在温度控制系统中控制算法的研究是非常重要的。
近年来，模糊逻辑的应用迅速发展，其应用范围从照相机、便携式摄相机、洗衣机和微波炉等日用消费品，直到工业控制、医疗器械、决策支持系统和人力资源等领域。
尤其在家用电器领域，无论对专家还是对普通消费者，模糊逻辑都给人以深刻印象。
我国已经加入世贸组织，各种工业产品的工程技术人员，都对模糊逻辑产生了浓厚的兴趣。
但由于对模糊逻辑的学习或研究具有一定的困难，而且难于方便地对模糊推理系统进行实验和验证。
因此，许多人都对模糊逻辑既有兴趣又望而却步。
模糊控制是基于模糊逻辑的描述一个过程的控制算法，主要嵌入操作人员的经验和直觉知识。
它适用于控制不易取得精确数学模型和数学模型不确定或经常变化的对象模糊温控的实现：
（l）将温控对象的偏差和偏差变化率以及输出量划分为不同的模糊值．建立规则，例如，IF温度太高OR温度正在上升，THEN减少控制输入、或风冷。
将这些模糊规则写成模糊条件语句，形成模糊模型。
（2）根据控制查询表，形成模糊算法。
（3）对温度误差采样的精确量模糊化，经过数学处理输入计算机中，计算机根据模糊规则推理做出模糊决策，求出相应的控制量，变成向自适应的方向发展。
实现温控系统的参数自调整，将线性控制与非线性相结合，使温度能满足用户的需要是温控系统的最终目的。
在实际应用中，应该根据具体的应用场合、不同的加热对象和所要求的控制曲线和控制精度，选择不同的系统方法。
虽然市场上有各种各样的温度控制器买，但是缺少学生实践的功能，价格也很昂贵，此系统的开发将会有很好的市场，不仅能用于教学，还可以用于工业生产中，可谓一举两得。
、时变等不确定因素。
在本课题中炉温系统在实际应用中，试验对象和试验环境都可能因为试验项目不同而有所变化，在噪声、负载扰动等因素的影响下，过程参数，甚至模型结构都可能变化。
原有的控制系统使用的设备和技术已远不能满足控制的要求，暴露出控制精度不高，可靠性差的缺点，因而有必要对类似的设备和技术进行改造。
在工程上，常规的PID调节器控制原理简单，容易实现，稳态无静差，因此长期以来广泛应用于工业过程控制，并取得了良好的控制效果。
即使在控制理论飞速发展的今天，使用最多的控制方式还是PID控制。
然而，大多数工业过程都不同程度的存在非线性、参数时变性、模糊不确定性等问题，模糊控制器具有无须建立被控对象的数学模型，对被控对象的非线性和时变性具有一定的适应能力，即鲁棒性较好等特点。
PID控制至今仍然是应用员广泛的控制规律。
这是因为PID控制器结构简单，能满足大量工业过程的控制要求，特别是PID控制的强鲁棒性使之能较好地适应过程工况的大范围变动。
然而，PID控制本质上居于线性控制如何使PID控制能更好地应用于非线性系统的控制。
并具有较好的智能性，这是值得研究的问题。
本文正是提出了一种基于规则校正的模糊控制方法。
该方法比PID控制具有更优良的控制品质。
课题的发展现状和前景展望
随着超大规模集成电路的发展及计算机软件技术和应用技术的日益成熟和完善，其正朝着以下方向发展：
提高集成度；提高处理速度；增强功能；加强软件支持能力，提高性能价格比。
温度控制电路广泛应用干社会生活的各个领域，如家电、汽车、材料、电力电子等，常用的控制电路根据应用场合和所要求的性能指标有所不同。
随着电子器件的发展，控制电路的形式也多种多样，无论是神经网络，还是模糊控制，都属于人工智能领域，同PID结合以调节PID参数，适应温控系统非线性，干扰多，大时延，时变和分布变化的特点。
神经网络采用自适应的方法，具有很强的鲁棒性，动态响应快。
缺点是容易陷入局部最优。
模糊控制适应大惯性和纯滞后系统，不需要知道系统的精确信息，与神经网络结合，能向自适应的方向发展。
实现温控系统的参数自调整，将线性控制与非线性相结合，使温度能满足用户的需要是温控系统的最终目的。
在实际应用中，应该根据具体的应用场合、不同的加热对象和所要求的控制曲线和控制精度，选择不同的系统方法。
模拟控制已逐渐被使用以单片机为主的混合控制和全数字控制所取代；晶闸管也已经被新型的电压控制开关器件所取代;一种基于神经元的PID控制器受到了控制领域的普遍关注,PID控制器在控制领域也已经被广泛的应用,这样便使控制系统具有更强的鲁棒性和适用性。
课题内容与设计要求及任务
本课题是对实验室原有系统——DPJ—Ⅱ智能炉温控制系统进行了解，要求设计简单、实用的监控管理程序，开发出新的实验、训练项目。
了解原有系统的硬件基本结构，分析工作原理；对系统做出总体改造方案；对系统的改造部分进行硬件设计；监控管理程序与应用软件设计调试；控制算法研究与程序设计；与上位机通信软件的设计；
技术要求：
（1）工业电炉的额定功率为2KW，
（2）额定电压为220V（单相）。
（3）温度测量范围0℃~800℃；温度调节控制范围100℃~600℃。
温度控制工艺曲线如下图：
（3）、控制精度±5C；动态参数：
超调量≤3%；调节时间3T。
首先要明确课题任务及要求，搜集课题所需资料，了解原有系统的硬件结构，分析工作原理；在进行具体设计之前，首先要进行可行性调研，目的是分析完成这个项目的可能性。
根据温度控制系统的复杂性进行算法调研。
对各种算法进行比较，确定最佳方案，将系统软件分成若干个相对独立的部分，为提高软件设计的总体效率，在编写应用软件之前，应绘制出程序流程图。
这是程序设计的一个重要组成部分，也是决定成败的关键部分。
然后对系统的将程序嵌入主程序，进行总体调试。
第二章系统硬件概述
系统主要由单片机、信号检测放大、输出同步触发、控制主电路和电炉组成。
采用模块式结构，I/O线和各信号设计成总线形式，应用系统的各部分，如A/D模块、键显模块、存储器模块、微型打印机接口、报警指示等，都通过总线底版插座方便地与单片机接口，同时还配有多个插口、接口。
方便用户维护、维修和进一步开发应用。
系统结构框图
本系统除总线底板外，选配了以AT89C51为核心CPU模块、以及A/D转换、键盘与显示器控制、微型打印机接口、并行I/O口、串行通信等模块。
通过编程可实现对炉温的闭环控制，具有控制参数在线修改、手动/自动无扰切换、工艺参数打印、状态指示和报警以及与上位机通信等功能。
由于采用了通用模块，使系统的设计开发缩短，调试方便，修改灵活。
：
40总线底板
CPU
主板
89C51
A/D
转换
模板
键盘与显示控制8279
5*4
键盘
并行
I/O口
8255
状态指示与报警电路
打印机接口
微型打印机
串行
通信口
上位机
LED显示器
模拟量输入
晶闸管
过零触发模块
主电路
P1口
智能炉温控制系统结构框图
随着微电子技术的迅速发展，单片机（微控制器）芯片的设计者、制造商不断推出性能优越且价格便宜各类型号的单片机。
单片机的使用者则将其应用到越来越广泛的领域，应用模式也是各种各样。
在我国目前工业测控系统及仪器仪表的应用中，MCS-51系列单片机以及它的兼容系列（如AT89C系列等）使用居多。
为了方便快速的开发和研制单片机应用系统，相继出现了许多的仿真器和开发仿真软件，受到使用者的欢迎。
由于这些仿真器一般是基于单片机应用系统硬件线路基本完成连接后进行仿真调试的，因此要求在调试之前要花大量的时间进行硬件的开发，并且在调试过程中还要进行反复修改。
有些仿真软件虽然可实现纯软件仿真，但软件仿真的结果与实际应用的硬件系统还有一定距离，有些问题难以发现（如时序配合、总线驱动、抗干扰等问题）。
为此，我们设计了一种基于总线的模块式单片机通用开发应用系统，在产品开发和实践教学的使用中，取得了满意的效果。
虽然单片机应用的场合以及其作用各种各样，各系统的硬件结构也各不相同，但是每个应用系统的组成原理大致相同，接口电路的设计方法是一样的，系统扩展都是基于其片外三总线实现的。
。
该总线共定义了４０根线（包括电源４根），分别是：
数据总线Ｄ０～Ｄ７；地址总线Ａ０～Ａ１５；控制总线ＷＲ、ＲＤ、ＡＬＥ、ＰＳＥＮ、ＲＳＴ；外部中断请求信号ＩＮＴ０、ＩＮＴ１；串行通信线 ＲＸＤ、ＴＸＤ；插口译码线ＰＸ；电源Ｖｃｃ.GＮＤ各两根。
并以该总线为基础设计了一种带有8个模块接插口的总线底板、CPU主板以及多种接口模块，在构建应用系统时可根据设计原理选择不同的模块进行配置，并过总线底板将带有CPU的主板与各功能模块进行组合，非常方便。
底板上共有9个接插口，J1用于连接底板工作电源，40脚插口的电源均由此接入，J2~J9为通用扩展口，其中一个用于安装带有ＣＰＵ的主板，其余插口可任意插接各种用途的扩展模块板。
每个插口的地址可根据译码线ＰＸ的连接（SIP跳线）确定，译码方式非常灵活。
底板总线结构
ＣＰＵ主板及各功能模块
。
应用时单片机可采用与8031引脚兼容的芯片（如AT98C51、8751、80C51等）。
考虑到总线上可能要连接多块模板，将系统的3组总线经驱动后接到40脚总线接口，再通过40脚接插件与总线底板的插口连接，P1口及定时器输入T0、T1由16脚接插件引出。
而程序存储器选择逻辑是为了方便选用片内有或无程序存储器的芯片而设计的。
根据单片机的一般应用情况，我们以40总线为基础设计了多种I/O接口通用模块，
存储器扩展模块（通过跳线可选择用于程序存储器或数据存储器的扩展）、A/D转换模块（ADC0809）、D/A转换模块（DAC0832）、键盘与显示器控制模块（8279）、与PC通信的串行通信模块（经RS232接口）、微型打印机接口模块、可编程接口模块（分8155和8255两种）等，在实际应用中使用者可根据需要选择不同的模块进行配置。
~~
P3..4ALE
P3..5
RXD
TXD
~
RST/VPDP3..2
P3..3
XTAL1P3..6
XTAL2P3..7
PSEN
A/VPP
地址锁存
数据总线驱动
地址总线驱动
地址总线驱动
D0~D7
A8~A15
A0~A7
P1
控制总线驱动
按键复
位电路
RESETT
AT89C51
程序存储器选择逻辑
Vcc
GND
T0
T1
RXD
TXD
INT0
INT1
WR
RD
晶振
电路
CPU主板模块原理框图
A/D转换模块
ADC0809是价格适中的逐次比较型、8位A/D转换芯片，单电源供电，无需外部进行0点和满度调整，可锁存3态输出，输出与TTL兼容。
分辨率为8位，功耗是15mW，转换时间（fCLK=500kHz）128us;转换精度为±％，是单片机应用系统中最广泛应用的A/D转换芯片之一。
AT89C51通过地址线P20和读、写控制线/RD、/WR来控制转换器的模拟输入通道地址锁存、启动和输出允许。
模拟输入通道地址译码输入A、B、C由P00—P03提供，虽然ADC0809具有通道地址锁存功能，但由于使用ALE锁存地址，故P00—P03须经锁存器接入A、B、C。
根据P20和P00—P03的连接方法，8个模拟输入通道的地址依IN0—IN7顺序为FEF0H—FEFFH。
转换器的时钟可由AT89C51的ALE取得，如果ALE信号频率过高，应分频后输入转换器。
在编程时应注意，在启动0809后，EOC约在10us后才变为低电平。
A/D转换接口，一般要完成通道的选择、发转换启动信号、取回“转换结束”状态信号、读取转换的数据和发采样/保持控制信号这些操作。
本系统选用镍鉻—镍硅热电偶作为炉温测量传感器，其冷端补偿采用软件方法，冷端温度测量选用IC温度传感器。
A/D转换接口是数据采集系统前向通道中的一个环节,数据采集和转换系统从一个或几个信号源中采集模拟信号，并将这些数据转换为数字形式，以便输入计算机。
因此，对于一个模拟信号转换为数字信号所要求的基本部件有：
⑴模拟多路转换器与信号调节；
⑵采样/保持放大器；
⑶模拟/数字（A/D）转换器；
⑷通道控制电路。
前向通道中与传感器相连接的是信号调节器，它完成传感器初次输出模拟信号的调节任务。
而模/数转换中的多路转换及信号调节则要将模拟信号变换成能直接满足模/数
图A/D0809原理图
变换需要的信号电平及输入方式。
为了减少动态数据测量的孔径误差，对于快速动态信号应设置采样/保持电路以防止采样过程中信号发生变化。
因此，模拟数据的采集及模/数变换通道设计时不仅仅是单纯选择A/D转换芯片及设计A/D转换接口，要综合考虑从传感器到计算机数据输入的全过程。
。
输出控制模块
本模块包括主电路与单片机控制电路的光电隔离，过零检测电路和触发脉冲电路。
过零检测电路在每个电源周期开始时产生一个脉冲，作为触发器的同步信号。
脉冲光电隔离电路实现功率放大电路与单片机在电气上的分离，防止强电干扰信号窜入单片机。
功率放大电路完成出发脉冲的功率放大、使之能可靠地触发晶闸管导通。
由于所控制的电阻炉只有一根电阻丝，功率也不大，原系统采用单相电源供电。
通用并行接口模块
MCS-51系列及其兼容系列单片机都是共有四个8位并行I/O口，但这些I/O口并不能完全提供给用户使用。
只有对于片内有ROM/EPROM的单片机，才允许这四个I/O口作为用户I/O口使用，然而对于大多数使用8031或片内有ROM/EPROM的单片机需外部扩展时，可提供给用户的I/O口只有P1口和部分P3口线，因此，在大部分的MCS-51系列及其兼容系列单片机应用系统设计中都不可避免地要进I/O的扩展。
根据扩展并行I/O口时数据线的连接方式，I/O口扩展方式可分为总线扩展方法、串行口扩展方法和I/O扩展方法。
图8255扩展板
8255在单片机应用系统中被广泛用作可编程外部并行I/O扩展接口。
在单片机应用系统中，8255与MCS-51系列及其兼容系列单片机连接方式简单，其工作方式由程序设定，。
图中，8255的片选信号及口地址选择线A0、、。
故8255的A、B、C口及控制口地址为8C00H,8C01H,8C02H,8C03H。
8255的复位端与AT89C51的复位端相连，也可以直接接地，前者应保证8255复位完毕后才开始初始化。
8255在单片机应用系统中广泛用于连接外部设备，如打印机、键盘、显示器，以及作为控制信息的输入、输出口。
与上位机通信模块
串行通信接口所直接面向的并不是某个具体的通信设备，而是一种串行通信的接口标准。
所以，要进行串行通信接口的设计，就必须要选定串行通信接口标准，然后按照标准来设计接口电路。
串行通信接口标准经过使用和发展，目前已有几种。
但都是在RS-232C标准的基础上经过改进而形成。
RS-232C标准的全称是EIA-RS232C标准（ElectronicIndustrialAssociate-RecommendedStandard-232C）是美国EIA（电子工业联合会）与BELL等公司一起开发的1969年公布的通
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